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Révision : Septembre 2016 Source : AFHYPAC – Th.A.

Mémento de l’Hydrogène FICHE 9.3.1

APPLICATIONS STATIONNAIRES DE LA PILE A COMBUSTIBLE DANS LE SECTEUR INDUSTRIEL

Sommaire

1. Généralités 2. Production d'électricité dans des sites industrie ls 3. Production d'électricité dans des sites isolés et en secours 4. Bibliographie

1. Généralités

Les piles à combustible de tout type -PEMFC, AFC, PAFC, MCFC et SOFC- investissent progressivement de nombreux secteurs industriels. Les raisons majeures ne sont pas des facteurs économiques immédiats –le coût du kWh est plus élevé- mais des facteurs associés à:

- la sécurité d’approvisionnement: secours et lissage de la demande,

- la qualité du service rendu comme l’absence de microcoupures, essentiel pour les “data centers”, et la stabilité du courant fourni,

- l’environnement: absence de bruit et réduction -voire même élimination- des émissions locales de gaz à effet de serre.

2. Production d'électricité dans des sites industri els

Quelle que soit la technologie de pile à combustible mise en œuvre, les objectifs restent les mêmes. Aujourd’hui, aucune des technologies énumérées ci-dessus n’a encore pris un avantage décisif. Aussi, le choix de telle ou telle technologie ressort d’avantage de considérations techno-économiques locales –voire politiques- que de considérations purement techniques. C’est pourquoi de nombreuses démonstrations sont menées avec chacun de ces types de piles : 2.1 - Technologie PEMFC Cette technologie est détaillée dans la fiche 5.2.2.

o En janvier 2012, a été construite la plate forme Myrte1, à Vignola, en Corse, dans le cadre d'un projet national avec l'Université de Corse, Areva et le CEA. Une pile PEM de 200 kWe y est alimentée en hydrogène et oxygène via un électrolyseur couplé à un champ de capteurs photovoltaïque de 560 kWc. Le courant fourni participe à l'écrêtement de la demande sur le réseau via un stockage d'hydrogène (Fig. 1).

1 http://myrte.univ-corse.fr/

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Figure 1 - La plate forme Myrte, Corse

o En février 2012, la société belge Solvay a annoncé l’installation d’une pile d’une puissance de

1 MWe sur son site SolVin, dans la zone portuaire d’Anvers (Fig. 2). Le coeur de cette pile était constitué d’ensembles EME (Electrode-Membrane-Electrode) développés par SolviCore autour d’un nouveau polymère (Aquivion PFSA) conçu par cette même société Solvay; la pile a été fabriquée par les sociétés néerlandaises NedStack et MTSA. Le système était alimenté avec de l’hydrogène coproduit dans une autre partie de l’usine dédiée à l'électrolyse chlore-soude. Cette installation, cofinancée par la Commission Européenne (Interreg IV Program), les pouvoirs publics et des industriels néerlandais, a été la première étape du projet “Hydrogen Region Flanders – South Netherlands”. Cette démonstration technologique s’étendait sur la période 2008-2013. Il a été fait état, en 2012, d’une production de 500 MWh sur 800 heures de fonctionnement. En mars 2016, MTSA a annoncé qu'il avait déménagé cette pile en Martinique, dans la raffinerie de Sara.

Figure 2 – La démonstration PEMFC de SolVin (2012)

o En octobre 2012, Toyota Motors Sales USA a annoncé la mise en service d’un générateur de 1,1 MWe fabriqué par le canadien Ballard (modèle CLEARgen™), sur son site californien de Torrance (Fig. 3). Il fournit l’électricité nécessaire au fonctionnement de la moitié des bâtiments du Centre. Cette pile s’alimente en hydrogène sur un gazoduc existant connecté à un ensemble de reformage de biogaz en hydrogène (Air Products). Ce projet a été cofinancé dans le cadre du California's Self-Generation Incentive Program (SGIP) et du Sustainable Development Technology Canada.

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Figure 3 – La pile PEMFC CLEARgen™ de Ballard, chez Toyota (2012)

o En juillet 2015, Ballard a annoncé la signature d'un contrat pour la livraison d'une pile modèle CLEARgen™ d'une puissance de 1 MWe chez HDF (Hydrogène de France), sur son site de Bordeaux où se trouve une installation chimique chlore-soude qui rejette de l'hydrogène. Cette opération a été conduite dans le cadre du projet européen FCH-JU DEMCOPEM.

o En novembre 2015, Hydrogenics Corp. a annoncé le début de fonctionnement d'une installation de 1 Mwe installée dans la raffinerie de Daesan, en Corée du Sud, dans le cadre d'une collaboration avec la société Kolon.

o En avril 2016, Nedstack (Pays-Bas) a signé un contrat de fourniture d'une installation de 2 MWe sur le site de Ynnovate Sanzheng (Yingkou) Fine Chemicals Co. Ltd in Yingkou, Liaoning province, en Chine qui sera alimentée à partir des rejets d'hydrogène d'une usine d'électrolyse chlore-soude.

o En août 2016, Toshiba Corp. a annoncé la fourniture à Tokuyama Corp., en février 2017, d'une installation de 100 kWe en technologie PEM. Elle alimentera tous les services d'une piscine. Elle sera alimentée à partir des rejets d'une usine de chlore.

2.2 – Technologie AFC

Cette technologie est détaillée dans la fiche 5.2.3 « Piles AFC ». Seule la société britannique AFC Energy2 poursuit le développement de cette filière. Elle développe une application industrielle d'une unité de 240 kWe, baptisée KORE, dans le cadre d'un programme européen baptisé POWER-UP.. - En mars 2015, AFC Energy a signé un Project Development Agreement (”PDA”) avec deux partenaires sud-coréens: Samyoung Corporation (”Samyoung”) et Changshin Chemical Co. (”Changshin”) pour le déploiement d'un générateur de 50MWe à Daesan, en Corée. - En avril 2015, AFC Energy signe un accord avec Dubai pour l'installation de 200 MWe de piles d'ici 2020. - En août 2015, les premiers tests de l'unité KORE ont démarré avec quelques modules (Fig. 4) - En décembre 2015, l'assemblage des 24 modules est achevée. - En février 2016, une puissance fournie de 200 kWe est atteinte - En février 2016, un accord de partenariat est signé avec plantIng GmbH. - En juillet 2016, AFC Energy annonce la mise au point d'un système 10 kWe. - En août 2016, AFC Energy annonce la signature d'un accord de développement avec la société italienne De Nora.

2 http://www.afcenergy.com/

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. Figure 4 - le prototype KORE (2015)

2.3 – Technologie PAFC Cette technologie est détaillée dans la fiche 5.2.4 « Piles PAFC ». Le terrain actuel du marché des piles de type PAFC est occupé par deux groupements industriels : Doosan-ABB et Fuji Electric. 2.3.1 - Doosan - ABB La société américaine Doosan Fuel Cell America3, filiale de la société coréenne Doosan Corp., créée en juillet 2014, s'est associée à la société suisse ABB pour reprendre la société ClearEdge qui avait, en 2012, elle-même repris les activités “piles à combustible” de UTC Power qui diffusait sa pile PureCell™ Model 400 (400 kWe). Ce type de pile avait, à l’époque, déjà équipé plusieurs sites dont celui de Samsung Everland, près de Séoul, avec une puissance fournie de 4,8 MWe et d’autres aux USA. Par la suite, d’autres projets avaient été réalisés comme l’installation d’une pile de 400 kWe dans le Centre Samsung de Busan, en Corée (Fig. 6). Doosan poursuit la réalisation et la commercialisation du PureCell® Model 400 System dont le rendement global en cogénération est annoncé à 90%. - En mai 2015, plus d'une douzaine de piles (cf. Fig. 5) fournissaient déjà plus de 5 MWe dans la banlieue de Séoul. - En juin 2015, Doosan a signé un contrat pour 13 autres unités destinées à la banlieue de Séoul (5,6 MWe). Quand ces piles auront été installées ce seront 48 unités qui fonctionneront en Corée pour une production de 21 MWe. Par ailleurs, deux sociétés du Connecticut (CT Transit et Amgraph Packaging) ont commandé chacune une installation. - En octobre 2015, Doosan signe un accord de partenariat avec Samsung pour la fourniture de 70 installations en Corée pour une puissance totale de 30,8 MWe. Elles seront opérationnelles en février 2017.

3 http://www.doosanfuelcell.com.

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Figure 5 - La pile Doosan de 400 kWe.

Figure 6 – Landmark Tower (Busan) équipé d’une PureCell™ 400 - En novembre 2015, Doosan a signé un nouvel accord de fourniture de 11 installations avec Korea Western Power, une filiale de LG. Elles ont été installées chez Korea Western Power, dans le port d'Incheon. - En 2017, Doosan piloterait 129 installations pour une puissance totale de 50 MWe. Pour ce qui concerne les aspects économiques, les industriels sont assez avares d’informations: néanmoins, pour donner un ordre de grandeur, la pile UTC Power de 400 kWe installée en mai 2011 à New York avait coûté 3 millions de dollars (mise en place incluse), soit 7 500 $/kWe installé.

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2.3.2 – Fuji Electric Co4 Cette société japonaise a débuté ce type de développement en 1972 et commercialise une unité de 100 kWe, baptisée FP-100 (Fig. 7). Quarante-huit unités avaient été vendues à la fin de la FY 20135 et quelques dizaines d'autres ont été livrées depuis.

Figure 7 – La pile PAFC de Fuji Electric (FP-100)

En, janvier 2016, Fuji Electric a annoncé que sa filiale européenne Fuji Electric Europe GmbH (“FEE”) avait conclu un accord pour l'acquisition (à 70%) de N2telligence GmbH pour élargir le champ des applications de la pile à combustible. 2.4 - Technologie MCFC

Cette technologie est détaillée dans la fiche 5.2.5 “Piles MCFC”. Le marché correspondant est essentiellement occupé aujourd’hui par la technologie développée par la société américaine FuelCell Energy6 (FCE), titulaire d'une licence de la société coréenne POSCO Energy7 pour son produit Direct FuelCell® (Fig. 8 et 9). L’unité de base est la pile DFC30008 qui produit une puissance de 2,8 MWe avec un rendement électrique de 47%. Leader de cette technologie, FCE a annoncé, en septembre 2015, avoir fourni 4 milliards de kWh avec l'ensemble de ses unités depuis la première commercialisation en 2003. Une usine de fabrication pour l'ensemble des marchés asiatiques vient d'être achevée à Pohang, en Corée. Elle a une capacité de production de générateurs pour une puissance totale de 100 MWe/an pour l’ensemble des marchés asiatiques. Le développement de cette technologie se poursuit au travers d'une collaboration avec l'Université du Connecticut et avec l'allemand Fraunhofer IKTS. • En Corée: o le Gyeonggi Green Energy fuel cell park, dont la construction avait débuté en 2012, a une

capacité de production de 59 MWe (Fig. 10). Il est équipé de 21 exemplaires de la pile DFC 3000 et est opérationnel depuis la fin 2013.

4 http://www.americas.fujielectric.com/ 5 FY: Fiscal Year au sens japonais du terme: 1er avril au 31 mars de chaque année 6 www.fuelcellenergy.com/ 7 http://eng.poscoenergy.com/eng/renew/_service/main.asp 8 http://www.fuelcellenergy.com/products-services/products/2-8-mw-dfc3000/

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Figure 8 – Le schéma d’une pile DFC3000™ de FCE

Figure 9 – Une pile FCE Direct FuelCell®

o La ville de Séoul a annoncé, en 2013, le lancement d’un programme d’installation d’un ensemble de parcs de piles à combustible d’une puissance totale de 230 MWe, en collaboration avec Korea Hydro et Nuclear Power (KHNP). La première phase (120 MWe) a débuté avec la mise en place, fin 2014, d’un parc de 19,6 MWe alimenté en gaz naturel.

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Figure 10 – Le Gyeonggi Green Energy fuel cell park (300 MWe)

o POSCO Energy a signé un contrat avec KOGAS (Korea Gas Corp.) qui a pour objet de

récupérer le gaz naturel qui s’évapore des installations de GNL (BOG, boil-off-gas) pour alimenter un parc de piles.

o POSCO Energy a lancé la construction du plus grand parc de piles au monde qui aura une capacité de 360 MWe. Il sera situé à Pyeongtaek City, dans la province de Gyeonggi. Il occupera une surface de 140 000 m² et son coût sera de 1,2 G$.

• Aux USA:

o FCE a annoncé, en décembre 2013, l’achèvement d’un parc -de cinq piles- d’une puissance totale de 14,9 MWe, à Bridgeport (Connecticut) (Fig. 11), pour le compte de la compagnie distributeur d’énergie Dominion. Ce parc, alimenté en gaz naturel, est couplé à une turbine Rankine qui valorise les calories du circuit de refroidissement des piles.

Figure 11 – Le parc de piles FCE de Bridgeport (2013)

o En octobre 2015, FCE a annoncé un accord sur 20 ans pour l'équipement d'une installation de 1,4 MWe à Santa Rita Jail, en Californie (Dublin) opérationnelle vers la fin 2016.

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• En Allemagne:

En décembre 2014, FCE a annoncé que la première pile installée en Allemagne, à Berlin, au ministère de la Recherche et de l'Enseignement (BMBF), avait été réceptionnée. Elle assure 40% de ses besoins en électricité et 20% de ses besoins en chaleur.

Coût du kWh fourni : ce coût serait aujourd’hui dans la fourchette 10 – 14 $cent/kWh d’après un document FCE datant de quelques années9. Cela correspondrait à un investissement de l’ordre de 4 à 5 000 $/kWe auxquels s’ajoutent les coûts d’achat de combustible et les coûts de fonctionnement.

2.5 - Technologie SOFC Cette technologie est détaillée dans la fiche 5.2.6 “Piles SOFC”. Compte tenu des performances potentielles très séduisantes de cette technologie, des dizaines d’industriels se sont lancés sur cette voie, dans tous les domaines de puissance, de quelques centaines de We à quelques MWe. Les applications de faible puissance, essentiellement résidentielles, sont décrites dans la fiche 9.3.2. Pour ce qui concerne les applications de forte puissance, essentiellement industrielles, on peut citer:

o La firme japonaise Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (MHI)10 a annoncé, en juin 2012, que, sous l’égide du NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization), et avec la collaboration de Toyota Motor Corp., elle développait11 un générateur à 3 étages alimenté en gaz naturel. L’étage amont est constitué de piles SOFC, l’étage intermédiaire est constitué d’une turbine à gaz alimentée par l’air chaud de refroidissement de la pile et l’étage aval est constitué d’une turbine à vapeur d’eau. Cette vapeur est obtenue sur le refroidissement de la turbine à gaz (Fig. 12 et 13). Destiné à couvrir la gamme de un à quelques dizaines de MWe, ce type de générateur devrait atteindre un rendement global de 70%, c’est à dire dépasser de 10 à 20% les performances obtenues avec un générateur classique à gaz naturel.

Figure 12 – la générateur MHI SOFC à 3 étages

9 http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/mcfc_pafc_workshop_farooque.pdf 10 https://www.mhi-global.com/products/detail/sofc_micro_gas_turbine_combined_power_generating_system.html 11 https://www.mhps.com/en/technology/business/power/sofc/development_situation.html

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Figure 13 – Vue d’artiste d’un générateur MHI de 15 MWe

En septembre 2013, MHI annonçait qu’un premier prototype de 200 kWe (Fig. 14) constitué des deux premiers étages, situé dans la Tokyo Gas’ Senju Techno Station, avait atteint une durée de fonctionnement de 4000 heures. Le rendement avait atteint 50,2 % (LHV – Lower Heating Value). La pile SOFC fonctionnait à une température supérieure à 900°C.

Figure 14 – Le prototype 200 kWe MHI

En décembre 2014, cette même firme MHI annonçait avoir reçu commande d'un générateur SOFC-MGT de 250 kWe qui sera installé à l'Université Kyushu. Il avait été testé depuis 2013 au centre technique de Tokyo Gas. Il est destiné à l'étude de nouveaux développements dans le cadre d'un projet du NEDO. La technologie SOFC mise en oeuvre est de type cylindrique (Fig. 15). L'hybridation de la pile SOFC avec la turbine se déroule sous la responsabilité de Toyota (Toyota Turbine and Systems Inc.)

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Figure 15 - Le stack SOFC de MHI

o L’entreprise américaine Bloom Energy12, fondée en 2001, s’est fait connaître au début 2010 en présentant sa BloomBox , un générateur électrique stationnaire à technologie SOFC plane, doté d’une puissance de 100 kWe. En juillet 2016, Bloom Energy a annoncé qu’elle avait installé près de 200 MWe, la plus grande partie aux USA, comme eBay, Google, Walmart, Nokia, AT&T, Bank of America, NASA, Coca-Cola, JMB, Yahoo, Equinix... une trentaine approximativement. Leur choix repose sur plusieurs paramètres comme la diminution de l’empreinte carbone, la sécurité d’approvisionnement électrique et le coût de l’électricité produite selon les Etats. Son rendement électrique atteint 60% et son coût unitaire (pour une puissance de 100 kWe) serait d’environ 700 k$. Le coût de l’électricité produite serait compris entre 9 et 10 cents$/kWh (de 10 à 14 c€/kWh), moins élevé que celui de l’électricité vendue en Californie. Le temps de retour annoncé par Bloom serait de 3 à 5 ans en Californie. Ce générateur est conçu pour deux combustibles : gaz naturel et biogaz. Depuis 2014, Bloom Energy s'est installé au Japon (Bloom Energy Japan Limited) et y a installé, au siège de SoftBank, un premier système de 200 kWe qui fonctionne depuis juin 2014. L'électricité a un coût de 25¥/Kwh. Depuis, d'autres structures se sont équipées d'une telle pile, comme dans la Préfecture d'Osaka en mars 2015 avec un système de 1 200 kWe -six unités de 200 kWe (Osaka Central Wholesale Market) (Fig. 16). Son coût a été de 10,9 M$, dont une partie a fait l'objet d'une subvention publique. En juillet 2015, Bloom Energy a annoncé avoir divisé d'un facteur deux le volume de ses unités de production, et son module de base est passé à 250 kWe, dont le coût est voisin de 1 M$, hors installation. La dernière installation en date (Août 2016) est IKEA, à New Haven CT, qui cumule dorénavant 1,5 MWe de puissance installée en BloomBox.

12 http://www.bloomenergy.com/

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Figure 16 – Un ensemble Bloom Boxes de 1 200 kWe au Japon

o La compagnie américaine FCE (Fuel Cell Energy), connue pour ses piles de type MCFC, a annoncé en septembre 2014 qu'elle avait décidé de se lancer commercialement sur la technologie SOFC13 à la suite d'un contrat du DoE (Office of Fossil Energy). Elle développe cette technologie en collaboration avec Versa Power Systems et dispose déjà d'un prototype de 40 kWe qui fonctionne dans ses laboratoires. Une unité de 100 kWe est en cours d'installation. Les unités envisagées (400 kWe?) fonctionneraient en cogénération, avec un rendement global de 80-85%.

o General Electric (GE)14 a créé, en septembre 2014, une start-up dédiée aux piles à combustible et plus particulièrement sur la filière SOFC. Cette firme vise des centrales de cogénération dans la gamme 1 à 10 MWe, avec un rendement global de 95%. Un prototype de 50 kWe est en développement.

o La compagnie américaine Dominovas Energy Corp. a annoncé en novembre 2015, le développement d'une unité baptisée RUBICON™ et vise le marché des systèmes multi-megawatt. En mai 2016, Dominovas annonce le prochain démarrage d'une installation de 50 kWe à Johannesburg. Les piles sont fournies par la société italienne SOLIDPower SpA à Mezzolombardo.

13 http://www.fuelcellenergy.com/advanced-technologies/solid-oxide-fuel-cells/ 14 https://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/02/Hybrid/Hybrid2Minh.PDF

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3. Production d'électricité dans des sites isolés e t en secours

La technologie retenue, pour ces applications, par les divers acteurs, est la technologie PEMFC. Les services offerts par ces alimentations couvrent la gamme 1 – 100 kWe. La société la plus en pointe, d’un point de vue commercial, dans ce domaine, est Ballard Power Systems:

o La firme canadienne Ballard Power Systems (qui a racheté la technologie IdaTech fin 2012), met en oeuvre sa pile15 ElectraGen™ (Fig. 17) dans des systèmes d’alimentation de relais télécoms où ils sont particulièrement appréciés dans les pays dont la fourniture d’électricité est peu fiable. Ils y sont plus performants que les secours à base de batteries ou de machines thermiques.

Figure 17 - Le générateur ElectraGen de Ballard

Pour des raisons logistiques d’approvisionnement, cette pile est alimentée en hydrogène, soit directement (systèmes 2 kWe), soit en hydrogène via un reformeur de méthanol (mélange méthanol-eau HydroPlus™) et la puissance est de 5 kWe. De très nombreux sites ont été équipés de ce système: Ballard a annoncé en mai 2015 que 2 900 exemplaires avaient été mis en place dans les Caraïbes et l’Amérique Latine (CALA), en Afrique du Sud , en Indonésie et au Japon, très demandeur depuis les nombreuses coupures provoquées par le tsunami de 2011.

o En France, Air Liquide/Axane a développé un produit adapté aux télécoms, baptisé COMM PAC™, de puissance disponible dans la gamme 0,5 – 2,5 kWe (Fig. 18). Il est alimenté en hydrogène à partir de bouteilles stockées sur place. D'autres systèmes sont aussi développés comme les générateurs pour sites isolés Hydrogen Energy Systems de 5 kWe (Energy 21) dont un record de fonctionnement de 14 100 h a été atteint en mars 2015.

o Toujours en France, Hélion, devenu Areva Stockage d’Energie, a installé, en 2006, une alimentation de secours pour le bâtiment de la direction du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) à Saclay (Fig. 19). Sa puissance est de 30 kWe et la pile dispose de réserves d’hydrogène et d’oxygène pour une autonomie de 4 heures demandée. Une autre unité de même type a été installée en 2012 pour un data center.

15 http://www.iphe.net/docs/Meetings/SC23/Workshop/7_Ballard_Canada.pdf

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Figure 18 – COMM PAC™ d’Axane

Figure 19 – Le poste de secours de 30 kWe au CEA/Saclay (2006)

o La société italienne Acta S.p.A.16 commercialise, depuis mai 2013, son Acta Power back-up power system (Fig. 20) pour les réseaux télécoms. Sa puissance est de 4 kWe et l’hydrogène est fourni par électrolyse d’une énergie renouvelable. Son prix est de 35 000 €.

o Hydrogenics (Canada), ReliOn (USA), Intelligent Energy (UK) en relation avec l'Inde depuis fin 2015, Heliocentris Energy Solutions (Allemagne) qui a reçu une commande de 22 systèmes en avril 2016 et quelques autres, développent aussi des produits pour ces mêmes usages.

16 http://www.actaspa.com/type/back-up-power/

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Figure 20 – Le Acta Power back-up power system

4. Bibliographie

La Commission Européenne (FCH-JU) a mis à disposition publique, en avril 2015, une étude sur les piles à combustible utilisées en sources stationnaires. Elle est accessible à l'adresse suivante:

http://www.fch.europa.eu/publications/advancing-europes-energy-systems-stationary-fuel-cells-distributed-generation

applications stationnaires de la pile a ... 9.3.1...mwe sur le site de ynnovate sanzheng (yingkou)...

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